ÍNDICE 1. FUNDAMENTOS DE LA FUNDICIÓN DE METALES. ..................................................... 3 2. FUNDICIÓN Y MOLDEO. ............................................................................................................ 3 Ventajas: ............................................................................................................................................ 3 Desventajas: ..................................................................................................................................... 3 Aplicaciones: ................................................................................................................................... 3 2.1
EL MOLDE. ............................................................................................................................... 4
Tipos: .................................................................................................................................................. 4 Procesos de fundición de acuerdo al tipo de molde: .................................................... 4 Factores que afectan la operación de vaciado de metal fundido: ............................ 5 2.2
PROCEDIMIENTOS DE FUNDICIÓN. .......................................................................... 5
2.3
FUNDICIÓN CON MOLDEO EN ARENA. ..................................................................... 5
Elementos del moldeo con arena: .......................................................................................... 6 Características: ............................................................................................................................... 7 2.4
MOLDEO EN CONCHA O CÁSCARA. ............................................................................ 7
Ventajas: ............................................................................................................................................ 7 Desventajas: ..................................................................................................................................... 8 2.5
MOLDEO AL VACÍO. ............................................................................................................ 8
Ventajas: ............................................................................................................................................ 8 Desventajas: ..................................................................................................................................... 8 2.6
PROCESO CON PS EXPANDIDO. ................................................................................... 9
Ventajas: ............................................................................................................................................ 9 Desventajas: ..................................................................................................................................... 9 2.7
FUNDICIÓN POR REVESTIMIENTO (CERA PERDIDA). ................................. 10
Ventajas: ......................................................................................................................................... 10 Desventajas: .................................................................................................................................. 10 2.8
MOLDE PERMANENTE. ................................................................................................. 10
Ventajas: ......................................................................................................................................... 11 Desventajas: .................................................................................................................................. 11 2.9
MOLDEO CON TERRAJA. ............................................................................................... 11
2.10 FUNDICIÓN A PRESIÓN. ................................................................................................ 11 2.11 FUNDICIÓN CENTRÍFUGA. ........................................................................................... 12 3. DEFECTOS DE LA FUNDICIÓN. .......................................................................................... 13 3.1
LLENADO INCOMPLETO. .............................................................................................. 13
3.2
JUNTA FRÍA. ........................................................................................................................ 13
3.3
METAL GRANOSO O GRÁNULOS FRÍOS. ............................................................... 13
3.4
CAVIDAD POR CONTRACCIÓN. ................................................................................. 13
3.5
MICROPOROSIDAD. ........................................................................................................ 14
3.6
DESGARRAMIENTO O AGRIETAMIENTO CALIENTE. ................................... 14
4. DEFECTOS DE LA FUNDICIÓN DE MOLDES DESECHABLES. ..................... 14 4.1
SOPLADURAS. .................................................................................................................... 14
4.2
PUNTAS DE ALFILER. ..................................................................................................... 14
4.3
CAÍDAS DE ARENA. .......................................................................................................... 15
4.4
COSTRAS. .............................................................................................................................. 15
4.5
PENETRACIÓN. .................................................................................................................. 15
4.6
DESPLAZAMIENTO DEL MOLDE. ............................................................................. 15
4.7
DESPLAZAMIENTO DEL CORAZÓN. ........................................................................ 16
4.8
MOLDE AGRIETADO (VENAS Y RELIEVES). ....................................................... 16
5. METALES PARA FUNDICIÓN. ..................................................................................... 16 5.1
FERROSAS. ........................................................................................................................... 16
5.2
NO FERROSAS. ................................................................................................................... 17
1. FUNDAMENTOS DE LA FUNDICIÓN DE METALES.
Se funde un metal, se vacía en un molde por gravedad o presión y se deja enfriar, adquiriendo la forma del molde. 2. FUNDICIÓN Y MOLDEO. Tras la extracción, normalmente se necesitan procesos posteriores: • Desbaste del metal excedente de la fundición. • Limpieza de la superficie. • Inspección del producto. • Tratamiento térmico para mejorar sus propiedades. • Mecanizado final para lograr tolerancias y buen acabado superficial en ciertas partes de la pieza. Ventajas: • Se puede usar para crear partes de compleja geometría, incluyendo formas externas e internas. • Se puede usar para producir partes muy grandes. Se han fabricado fundiciones que pesan más de 100 toneladas. • Puede realizarse en cualquier metal que pueda calentarse y pasar al estado líquido. • Algunos métodos de fundición son altamente adaptables a la producción en masa. Desventajas: • Porosidad, baja precisión dimensional y acabado deficiente de la superficie. • Riesgos en la seguridad de los trabajadores durante el proceso y problemas ambientales. Aplicaciones: • Técnica y tecnología: Coronas dentadas, estufas de hierro fundido, bloques motores, bancadas para máquinas, ruedas para ferrocarril, tuberías y carcasas para bombas. • Comercial: joyería. • Arte y decoración: estatuas.
2.1 EL MOLDE. Los moldes se hacen de varios materiales: arena, yeso, cerámica y metal. Tipos: • Molde abierto: (figura 1a) simplemente un recipiente con la forma de la parte de fundición. El metal líquido se vacía hasta llenar la cavidad. • Molde cerrado: (figura 1b) de forma más compleja que requiere un sistema de vaciado (vía de paso) conectado con la cavidad.
Procesos de fundición de acuerdo al tipo de molde: • Fundición con molde desechable: el molde donde se solidifica el metal debe ser destruido para extraer la fundición. Estos moldes se hacen de arena, yeso o materiales similares que mantienen su forma, usando aglomerantes de varias clases. • Fundición con molde permanente: el molde permanente puede usarse muchas veces para producir fundiciones en cantidad. Está hecho de un metal y algunas veces de un refractario cerámico. Consta de dos o más secciones que pueden abrirse para permitir la extracción de la parte terminada. Las piezas de forma geométrica complicada se producen generalmente mediante procesos de molde consumible, ya que, en el proceso de molde permanente, la forma de la pieza se limita por la necesidad de abrir el molde, sin embargo, los procesos de molde permanente tienen ventajas económicas en operaciones de alta producción.
Factores que afectan la operación de vaciado de metal fundido: • Temperatura de vaciado: es la temperatura del metal fundido al momento de su introducción en el molde. Lo importante aquí es la diferencia entre la temperatura de vaciado y la temperatura a la que empieza la solidificación (el punto de fusión para un metal puro, o la temperatura liquidus para una aleación). • Velocidad de vaciado: velocidad volumétrica a la que se vierte el metal fundido. Velocidad muy lenta, el metal puede enfriarse antes de llenar la cavidad. Velocidad excesiva, genera turbulencia. • Turbulencia: acelera la formación de los óxidos que pueden quedar atrapados durante la solidificación, degradando así la calidad de la fundición. Agrava la erosión del molde, desgastando las superficies. 2.2 PROCEDIMIENTOS DE FUNDICIÓN. Colada por gravedad: se llenan los moldes por el propio peso del metal fundido: • Moldeo en arena: o A mano. o Mecánicamente. • Otros procedimientos de moldeo en materiales NO metálicos: o Con terraja. o Al vacío. o En cáscara. o Fundición por revestimiento (a la cera perdida). o Poliestireno expandido. • Moldeo en moldes permanentes (coquilla). Colada por presión: se llenan los moldes impulsando el metal fundido por una fuerza exterior: • Fundición centrifugada. • Fundición a presión. 2.3 FUNDICIÓN CON MOLDEO EN ARENA. Consiste en vaciar un metal fundido en un molde de arena, dejarlo solidificar y romper después el molde para extraer la fundición.
Elementos del moldeo con arena: • Modelo: o Se fabrican de madera, fundición de hierro, aleaciones de aluminio, yeso, resinas epoxi. o Presenta dimensiones siempre mayores que las de las piezas, debido a: contracción de los metales al solidificarse y enfriarse y la necesidad acabado de precisión por mecanizado posterior. o Debe preverse salidas adecuadas para extraer los modelos de los moldes.
•
Machos o corazón: es un modelo de las superficies interiores. Se hace generalmente de arena compactada y puede requerir soportes para mantener su posición.
•
Molde de arena: La arena de fundición es sílice (SiO2) + silicato de alumina hidratada (arcilla). El sílice proporciona dureza y resistencia mecánica y la arcilla cohesión. La proporción típica (en volumen) es 90% de arena, 3% de agua y 7% de arcilla.
Características: Buenas propiedades refractarias: capacidad de resistir altas temperaturas sin fundirse o degradarse. Resistencia: capacidad del molde para mantener su forma y soportar la erosión causada por el flujo del metal líquido. Permeabilidad: para permitir que el aire caliente y los gases de fundición pasen a través de los poros de la arena. Depende del tamaño del grano, del contenido de arcilla y del porcentaje de humedad. Los granos grandes son más permeables pero los granos pequeños proporcionan mejor acabado superficial: + arcilla → + cohesión → -‐ permeabilidad + humedad → dificulta paso de los gases Estabilidad térmica: capacidad de la arena en la superficie de la cavidad del molde para resistir el agrietamiento y encorvamiento en contacto con el metal fundido. Plasticidad: aptitud de la arena para reproducir la geometría del modelo. Retractabilidad: capacidad del molde para dejar que la fundición se contraiga sin agrietarse. Reutilización: estas medidas son algunas veces incompatibles, por ejemplo, un molde con una gran resistencia tiene menos capacidad de contracción. 2.4 MOLDEO EN CONCHA O CÁSCARA. El molde es una concha delgada hecho de arena aglutinada con una resina termo fija. (Acero para engranajes, cuerpos de válvulas, manguitos y árboles de levas). Ventajas: • No necesitan cajas de moldeo. • Moldes más ligeros y más rápidos de fabricar. • Buena precisión dimensional y acabado superficial, evitando mecanizados posteriores.
Desventajas: • El costo del patrón de metal, difícil de justificar para pequeñas producciones. • La arena con aglutinante de resina resulta 5 veces más cara. • No pueden emplearse placas modelo de madera o yeso, pues son malos conductores del calor, sólo pueden usarse metálicas (más caras).
2.5 MOLDEO AL VACÍO. Utiliza un molde de arena que se mantiene unido por presión de vacío en lugar de un aglutinante químico. Ventajas: • Recuperación de la arena, ya que no se usan aglutinantes. • Los defectos causados por la humedad están ausentes del producto, debido a que la arena no se mezcla con agua. Desventajas: • Son su relativa lentitud. • No es fácilmente adaptable a la mecanización.
2.6 PROCESO CON PS EXPANDIDO.
Utiliza un molde de arena compactado alrededor de un patrón de espuma de poliestireno que se vaporiza al vaciar el metal fundido dentro del molde. (Fundiciones de motores de automóvil). Ventajas: • El modelo no necesita extraerse del molde lo que simplifica y facilita su fabricación. • El modelo incluye el bebedero de colada, el sistema de vaciado, los acumuladores y también machos, eliminando así la necesidad de hacerlos por separado. Desventajas: • Necesita un nuevo patrón para cada fundición. • Costo de producción de los modelos.
2.7 FUNDICIÓN POR REVESTIMIENTO (CERA PERDIDA). El modelo, hecho de cera, se recubre con material refractario para fabricar el molde, después de esto, la cera se funde y evacua antes de vaciar el metal fundido. (Partes complejas de maquinaria, aletas para motores de turbina, piezas de joyería y accesorios dentales.) Ventajas: • Capacidad para obtener piezas complejas de alta precisión (tolerancias de hasta 0.076 mm.) • Buen acabado de la superficie. Por lo general no requiere mecanizado adicional. • Recuperación de la cera para reutilizarla. • Pueden fundirse todos los tipos de metales, incluyendo aceros, aceros inoxidables y otras aleaciones de alta temperatura. Desventajas: • Éste es un proceso costoso por la cantidad de pasos que involucra su operación. • Las partes hechas por este método son normalmente de tamaño pequeño. 2.8 MOLDE PERMANENTE. Se usa un molde metálico (acero o hierro fundido) construido en dos secciones que están diseñadas para cerrar y abrir con precisión y facilidad. (Pistones, cuerpos de bombas, armamento (proyectiles)).
Ventajas: • Buen acabado de la superficie. • Control dimensional estrecho. • La solidificación más rápida causada por el molde metálico genera una estructura de grano más fino, lo que producirá fundiciones más resistentes. Desventajas: • El proceso está limitado generalmente a metales de bajo punto de fusión. • Formas geométricas más simples que en molde de arena debido a la • necesidad de abrir el molde. • Costo alto. 2.9 MOLDEO CON TERRAJA. Se trata de moldear piezas de revolución o rectilíneas de perfil constante. Las terrajas utilizadas son plantillas de madera, normalmente reforzadas con chapa de acero en sus caras activas. 2.10 FUNDICIÓN A PRESIÓN. Es un proceso de fundición en molde permanente que se lleva a cabo en máquinas especiales en el cual se inyecta el metal fundido en la cavidad del molde a alta presión. Existen dos tipos principales de máquinas de fundición en dados dependiendo de la forma en que se inyecta el metal a la cavidad:
•
De cámara caliente: : el metal se funde en un recipiente adherido a la máquina y se inyecta en el dado usando un pistón de alta presión.
•
De cámara fría: : el metal fundido procedente de un contenedor externo, se vacía sin calentar y se inyecta a presión.
2.11 FUNDICIÓN CENTRÍFUGA. Se utiliza un molde que gira a alta velocidad para que la fuerza centrífuga distribuya el metal fundido en las regiones exteriores de la cavidad del dado.
3. DEFECTOS DE LA FUNDICIÓN. 3.1 LLENADO INCOMPLETO.
Aparece en una fundición que solidificó antes de completar el llenado de la cavidad del molde, las causas típicas incluyen: • Baja temperatura de vaciado. • Vaciado que se realiza muy lentamente. • Fluidez insuficiente del metal fundido. • Diferencia de temperatura entre molde y metal fundido. 3.2 JUNTA FRÍA. Aparece cuando dos porciones del metal fluyen al mismo tiempo pero hay una falta de fusión entre ellas debido a solidificación o enfriamiento prematuro. Sus causas son similares a las del llenado incompleto: • Baja temperatura de vaciado. • Vaciado que se realiza muy lentamente. • Fluidez insuficiente del metal fundido. 3.3 METAL GRANOSO O GRÁNULOS FRÍOS. Las salpicaduras durante el vaciado hacen que se formen glóbulos de metal que quedan atrapados en la fundición. Alternativa, un buen diseño del sistema y de los procedimientos de vaciado que eviten las salpicaduras puede prevenir este defecto: • Fluidez excesiva del metal fundido (turbulencia). • Vaciado rápido. • Alta temperatura de vaciado. 3.4 CAVIDAD POR CONTRACCIÓN. Es una depresión de la superficie o un hueco interno debido a la contracción por solidificación en la última región que solidifica. Ocurre frecuentemente cerca de la parte superior de la fundición, en cuyo caso se llama rechupe. Causas:
• •
Diferencia de temperatura entre el molde y el metal fundido. Mal diseño de la mazarota.
3.5 MICROPOROSIDAD. Se refiere a una red de pequeños huecos distribuida a través de la fundición debida a la contracción por solidificación del último metal fundido en la estructura dendrítica. El defecto se asocia generalmente con las aleaciones, debido a la forma prolongada en que ocurre la solidificación en estos metales. Causas: • Baja temperatura de vaciado. • Diferencia de temperatura entre molde y metal fundido. • Vaciado rápido. 3.6 DESGARRAMIENTO O AGRIETAMIENTO CALIENTE. Ocurre cuando un molde, que no cede durante las etapas finales de la solidificación, restringe la contracción de la fundición después de la solidificación. Causas: • Molde incompatible/inadecuado: geometría y/o material. 4. DEFECTOS DE LA FUNDICIÓN DE MOLDES DESECHABLES. 4.1 SOPLADURAS. Es una cavidad en forma de pelota causada por un escape de gases que quedan atrapados en el molde durante el vaciado, pudiendo formarse en el interior o exterior de la pieza. Causas: • Fluidez excesiva del metal fundido (turbulencia). • Vaciado rápido. 4.2 PUNTAS DE ALFILER. Similar al anterior, involucra la formación de numerosas cavidades pequeñas de gas en la superficie de la fundición o ligeramente por debajo de ella. Mismas causas que las anteriores.
4.3 CAÍDAS DE ARENA. Irregularidad en la superficie de la fundición, que resulta de la erosión del molde de arena durante el vaciado. Causas: • Mala compactación del molde. • Fluidez excesiva del metal fundido (turbulencia). • Vaciado rápido. 4.4 COSTRAS. Son áreas rugosas en la superficie de la fundición debidas a la incrustación de arena y metal, causadas por desprendimientos de la superficie del molde que se descascarilla. Causas: • Mala compactación del molde. 4.5 PENETRACIÓN. Cuando la fluidez del metal líquido es muy alta, éste puede penetrar en el molde o en el corazón de arena. Después de la solidificación, la superficie de la fundición presenta una mezcla de granos de arena y metal. Causas: • Fluidez excesiva del metal fundido (turbulencia). • Vaciado rápido. • Alta temperatura de vaciado. 4.6 DESPLAZAMIENTO DEL MOLDE. Se manifiesta como un escalón en el plano de separación del producto fundido, causado por el desplazamiento lateral del semimolde superior con respecto al inferior. Causas: • Mal diseño del molde. • Desgaste de las fijaciones. • Vaciado rápido.
4.7 DESPLAZAMIENTO DEL CORAZÓN. Un movimiento similar puede suceder con el corazón, pero el desplazamiento es generalmente vertical. Causas: • Mal diseño del molde. • Desgaste de las fijaciones. • Vaciado rápido. 4.8 MOLDE AGRIETADO (VENAS Y RELIEVES). Si la resistencia del molde es insuficiente, se puede desarrollar una grieta en la que el metal líquido puede entrar para formar una aleta en la fundición final. Causas: • Compactación insuficiente. 5. METALES PARA FUNDICIÓN. La mayoría de las fundiciones comerciales están hechas de aleaciones más que de metales puros. Las aleaciones son generalmente más fáciles de fundir y las propiedades del producto resultante son mejores. Las aleaciones de fundición pueden clasificarse en: 5.1 FERROSAS. • Aceros fundidos: Las propiedades mecánicas del acero lo hacen un material atractivo de ingeniería, sin embargo, se enfrenta a grandes dificultades: el punto de fusión del acero (1440 °C). Es considerablemente más alto que el de los otros metales. A elevadas temperaturas, el acero se oxida fácilmente, así que deben usarse procedimientos especiales durante la fusión y el vaciado para aislar al metal fundido del aire. Las propiedades de las fundiciones de acero son isotrópicas, es decir, su resistencia es prácticamente la misma en cualquier dirección, no así las partes formadas mecánicamente (por laminado o forjado).
5.2 NO FERROSAS.
Aleaciones de aluminio, magnesio, cobre (incluyen bronce, latón), estaño, zinc, níquel y titanio: • Las aleaciones de aluminio se distinguen por su ligereza, fácil mecanizado, amplio rango de propiedades de resistencia. • Las aleaciones de cobre que incluyen al bronce y latón: tienen buena resistencia a la corrosión, apariencia atractiva, buenas cualidades antifricción. (accesorios para tubería, aletas de propulsores marinos, componentes de bombas y joyería ornamental). • El estaño tiene el punto de fusión más bajo de los metales de fundición. Tienen buena resistencia a la corrosión, pero pobre resistencia mecánica. • Las aleaciones de níquel tienen buena resistencia en caliente y resistencia a la corrosión (aplicaciones a altas temperaturas: motores de propulsión a chorro, componentes de cohetes, escudos contra el calor). • Las aleaciones de titanio son resistentes a la corrosión, sin embargo, tienen un alto punto de fusión, baja fluidez y es muy propenso a oxidarse a elevadas temperaturas, Esto hace que el titanio y sus aleaciones sean difíciles de fundir.